背景介绍
如今，建筑用能已成为社会总能耗中占比最多的项目（>40%），而建筑的高能耗通常是由用能较多的暖通空调系统造成的。为了降低空调能耗，常规手段是对传统制冷采暖设备进行升级改造。近年来，新型节能围护结构技术的出现从根本上减少了建筑自身的冷热负荷，为减轻空调用能提供了全新的思路。这其中，智能变色窗就是一项极具代表性的技术。智能窗可以根据建筑的光热需求，动态实时地调控室内太阳辐射热吸收，实现建筑热负荷的智能调节。
热致变色钙钛矿材料，作为新型的变色技术，因其拥有近常温的变色温度，较短的变色时间，较高的透光率和太阳辐射调节能力而受到建筑节能智能窗领域的青睐。然而，与几乎所有的钙钛矿材料一样，热致变色钙钛矿薄膜也面临着耐候性较差，容易受湿度、水分破坏的缺点。另外由于热致变色钙钛矿材料的成膜性较差，导致由其制备的智能窗涂层光学雾度较高，容易影响视野清晰度。这些技术挑战从根本上制约了热致变色钙钛矿智能窗的实际应用与大规模推广。
为解决上述难题，近日，香港城市大学能源与环境学院曹之胤教授团队与香港科技大学机械与航空航天工程学系黄宝陵教授团队合作研发了一种受医用口罩结构启发的可呼吸，高耐候性，低雾度的热致变色钙钛矿智能窗（MTP智能窗）。相关研究成果以“Mask-inspired moisture-transmitting and durable thermochromic perovskite smart windows”为题发表于国际知名期刊Nature Communications. 论文第一作者为香港城市大学博士后刘赛博士，共同一作为浙江大学百人计划研究员李洋博士。同时该研究也得到香港城市大学任广禹教授，叶轩立教授，余健文教授指导支持。
内容介绍
热致变色钙钛矿的基本变色原理是通过热驱动下钙钛矿与水蒸气的吸附及脱附反应实现相转变。水蒸气是其变色的必备条件，但过多的水分又会破坏钙钛矿。因此，精准控制与钙钛矿反应的水蒸气量是实现钙钛矿变色同时保持长寿命的关键。疫情期间，口罩成为了人们日常生活中必不可少的卫生用品。医用口罩其独特的三层结构设计（外层抗湿层、中间熔喷层，内层贴肤层）可以保持空气的呼入呼出，同时也有效抵抗了飞沫传播，大大降低病毒传播概率。研究团队受此启发，也为热致变色钙钛矿戴上了“口罩”，以此控制适量水蒸气的进出，在保持钙钛矿能变色的同时，也避免了过量水分对钙钛矿的破坏。该智能窗包括三层结构：底层的热致变色钙钛矿，中间层的聚氮硅烷（PHPS）及上层的疏水SiO2纳米颗粒。（图1）
图1：口罩结构示意图及MTP智能窗结构示意图
PHPS及SiO2纳米颗粒层均高度透明，涂布于热致变钙钛矿表面并未牺牲其光学性能，MTP智能窗的冷态透光率达到了83%，太阳光调节能力达到24% （图2）。有趣的是，其光学表现甚至超越了纯热致变色钙钛矿。光学性能的提升主要得益于涂布了PHPS的钙钛矿表面粗糙度显著降低，这极大缓解了热致变色钙钛矿成膜性差的问题，使得钙钛矿表面光散射效应被抑制，其光学雾度也由此大幅从90%降低到30%。光学雾度的降低解决了一直困扰热致变色钙钛矿智能窗清晰度差（毛玻璃效应）的难题（图3）。
图2：MTP智能窗冷热状态切换及其透光率图谱
图3：纯热致变色钙钛矿智能窗（TPW）及MTP智能窗雾度对比
在PHPS及上层疏水SiO2纳米颗粒的共同作用下，MTP智能窗也表现出良好的防水能力，这使得热致变色钙钛矿智能窗的实用性得到大幅提高。测试结果显示MTP智能窗表面的疏水角达到160o的超疏水状态，有效防止了大颗粒水珠（如雨滴）对钙钛矿的破坏（图4）。将MTP智能窗完全浸入水中5分钟后，其依然可以保持变色功能。而纯钙钛矿遇水后则在1秒内被破坏。良好的防水性也抑制了钙钛矿遇水铅泄露的问题，使得MTP智能窗使用更加安全可靠（图5）。另外在老化测试中，MTP智能窗可保持其原有光学性能长达一个月以上，这一结果是原热致变色钙钛矿的37倍，显著地提高了热致变色钙钛矿的耐候性。
图4：MTP智能窗的疏水性测试
图5：MTP智能窗的防止铅泄露测试
最后，由于口罩式结构提供的良好的防水能力，更长的使用寿命及更好的防铅泄露保护，使得热致变色钙钛矿可以直接涂布于柔性PET制成窗膜而无需额外封装在双层玻璃窗内（图6），这在未来应用中可显著降低建筑改造成本，并推动智能窗户的大面积应用。为验证窗膜的节能潜力，研究团队以美国地区为例，进行了建筑能耗模拟分析，发现使用该类智能窗膜可降低建筑全年能耗高达10%。这一研究成果进一步提供高了热致变色钙钛矿智能窗的实际应用性。
图6：MTP智能窗膜及其节能潜力
总结
该研究成果中，独特的口罩式结构设计起到了一举多得的作用。一方面其保护了热致变色钙钛矿材料，控制了适量水蒸气的进出，实现了使用寿命的延长；另一方面其改善了热致变色钙钛矿表面粗糙度较高的问题，抑制了光散射效应，极大降低了智能窗的雾度；最后，其超疏水性能隔绝了大颗粒水珠，避免了钙钛矿材料遇水铅泄露的问题。这一设计不仅克服了热致变色钙钛矿智能窗在实际应用中面临的挑战，而且也为解决其他钙钛矿材料器件的类似问题提供了新思路。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45047-y
